ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭМИССИОННЫХ СВОЙСТВ ХОЛОДНЫХ КАТОДОВ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАРОК ГРАФИТА

Комарский А.А.^1,2, Бессонова В.А.³, Корженевский С.Р.⁴, Чепусов А.С.⁵

¹Младший научный сотрудник, ³Аспирант, младший научный сотрудник, ⁴Кандидат технических наук, ⁵Младший научный сотрудник, институт электрофизики УрО РАН;

²Аспирант, Уральский Федеральный Университет

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ No14-08-31243 мол_а

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЭМИССИОННЫХ СВОЙСТВ ХОЛОДНЫХ КАТОДОВ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАРОК ГРАФИТА

Аннотация

В статье исследована долговременная стабильность работы автоэмиссионных катодов из промышленных марок графита в зависимости от давления в измерительной камере. Проведено сравнение автоэмисиионных характеристик для исследованных видов графитов. Отличительной особенность данных катодов является способность восстанавливать автоэмиссионные центры во время работы, что делает срок службы практически бесконечным.

Ключевые слова: катод, автоэмиссия, графит.

Komarskiy A.A.^1,2, Bessonova V.A.³, Korzhenevskiy S.R.⁴, Chepusov A.S.⁵

¹Junior researcher, ³Postgraduate student, Junior researcher, ⁴Candidate of Technical Sciences,  Institute of Electrophysics of UD RAS;  ²Postgraduate student, Ural Federal University

RESTORING EMITTING PROPERTIES OF FIELD-EMISSION CATHODES MADE OF INDUSTRIAL GRAPHITE

Abstract

In this paper we investigate the long-term stability of field emission cathodes made of industrial graphite depending on pressure in the vacuum chamber. We compared field emission characteristics of the cathodes under study. The distinguishing feature of these cathodes is the capability to restore field-emission areas while they are operating therefore their lifetime is almost infinite.

Keywords: cathode, field-emission, graphite.

Введение

Система по измерению вольт-амперных характеристик (ВАХ) и долговременных создана на основе спектрометра LASS-2000 фирмы RIBER. Вакуум на данной установке поддерживается магниторазрядными насосами, благодаря чему в систему не попадают пары масла. [1]

Изучено влияние давления на автоэмиссионные характеристики холодных катодов из искусственных углеродных материалов следующих марок: малопористый графит (МПГ-7), мелкозернистый графит (МГ), графит электродный (ГЭ), графит полученный изостатическим прессованием (GS-1800), графит малозольный (ГМЗ). Данные марки графита выбраны исходя из того, что они широко применяются в промышленности, хорошо поддаются механической обработке, стойки к экстремальным режимам работы [2]. Также в нашей работе [3] исследованы образцы из графитов, синтезированных при разных температурах, где наблюдается самовосстановление эмиссионных свойств во время работы.

Вольт-амперные характеристики образцов

Образцы представляют собой диск диаметром 4 мм. Поверхность шлифуется, затем образец прогревается до 400 ºC при давлении 10^-8 торр для очистки поверхности от адсорбированных газов.

После остывания образца снимается серия ВАХ. Дискретно повышается напряженность поля до токов автоэмиссии порядка 0,4 мА до тех пор, пока не будет достигнута воспроизводимость результатов. Таким образом, производится тренировка поверхности автоэмиссионного катода (АЭК).

На рисунке 1 представлена зависимость напряженности электрического поля, соответствующего старту автоэмиссии, после работы катода при давлениях от 10^-10 торр до 10^-6 торр. Ток автоэмиссии стабилизирован и составляет 0,1 мА, и длительность работы при каждом давлении 10 минут; давление в вакуумной камере при съемке ВАХ составляет 10^-10 торр. Напряженность электрического поля определяется как

E=U/d,

где E – напряженность электрического поля между катодом и анодом, U – напряжение, прикладываемое к измерительной ячейке, d – расстояние между анодом и катодом. В экспериментах параметр d устанавливался равным 0,15 мм, напряженность старта принята равной 0,025 мА.

Таким образом, можно наблюдать ухудшаются или улучшаются автоэмиссионные характеристики катода.

Рис. 1. Напряженности старта автоэмиссии после работы катода при разных давлениях.

Наименьшая напряженность соответствует образцам из графита марок ГМЗ и МГ. Наибольшие значения напряженности соответствуют образцам из графита марок ГЭ и GS-1800. Средние значения напряженности старта наблюдаются у образца из материала МПГ-7. Однако этот материал демонстрирует стабильные значения стартовой напряженности электрического поля при разных давлениях, что является определяющим фактором в условиях экстремальных нагрузок.

Долговременные характеристики

Проведена съемка долговременных характеристик. В течение десяти минут при постоянном давлении и постоянном токе автоэмиссии измеряется напряжение. После десяти минут съемки повышается давление путем напуска Ar, и эксперимент повторяется. Измерения проведены для всех образцов при давлениях 2*10^-8торр, 2*10^-7 торр, 2*10^-6торр, 2*10^-5торр. Массив данных о токе и напряжении записывается на компьютер при помощи модуля ввода/вывода данных RL-88AC[4].

Для представления зависимости напряжения от тока введен обобщенный параметр – внутреннее сопротивление диода (сопротивление промежутка катод-анод) R:

R=U/I ,

где U – напряжение в промежутке катод-анод, I – ток автоэмиссии.

На рисунке 2 приведены зависимости, характеризующие изменение сопротивления промежутка катод-анод (R) со временем для образца GS-1800. Эксперимент проходил при стабилизированном токе I=0,1 мА. На графике приведены четыре зависимости снятые при разных давлениях газа в вакуумной камере. Такие зависимости сняты для всех образцов.

Рису. 2. Изменение сопротивления промежутка катод-анод для GS-1800.

Как можно заметить у образца GS-1800 при давлениях 2*10^-8 торр, 2*10^-7 торр, 2*10^-6 торр сопротивление R уменьшается. Это, несомненно, хороший результат, вероятно, в таких режимах работы происходит модификация поверхности катода и образуются новые эмиссионные центры. При давлении более высоком 2*10^-5 торр, наблюдается обратный процесс, то есть сопротивление со временем работы автоэмиссионного катода начинает расти. В этом случае эмиссионные центры разрушаются, поверхность деградирует. Эти процессы, по-видимому, обусловлены влиянием ионной бомбардировки, которая возникает во время работы автокатода.

Для всех образцов сняты зависимости изменения сопротивления при разных давлениях и постоянном токе. В таблице 1 приведены значения K, показывающие изменение сопротивления относительно среднего, то есть

K = (R­₂ – R₁)/<R>,

где R₁, R₂ – сопротивление в начале и в конце долговременной зависимости, измеренные при постоянном давлении; <R> – среднее значение сопротивления.

Для образцов МПГ-7 и ГМЗ при всех давлениях значение K является отрицательным. Таким образом, эти материалы более устойчивы к ионной бомбардировке, чем другие. Также интересно, что катод из ГЭ при давлении 2*10^-6 торр показал самое большое значение отклонения, но при увеличении давления в камере эмиссионные характеристики ухудшились.

Таблица 1. Отклонение сопротивления промежутка катод-анод от среднего.

МПГ-7	МГ	ГЭ	GS-1800	ГМЗ	p, торр
-0,01	-0,08	-0,08	-0,04	-0,02	2,00E-08
-0,05	-0,03	-0,03	-0,06	-0,08	2,00E-07
-0,02	-0,02	-0,10	-0,04	-0,03	2,00E-06
-0,06	0,00	0,03	0,01	-0,02	2,00E-05

Для образцов МПГ-7 и ГМЗ при всех давлениях значение K является отрицательным. Таким образом, на эти материалы в более широком диапазоне давлений ионная бомбардировка оказывает положительное влияние. Также интересно, что катод из ГЭ при давлении 2*10^-6 торр показал самое большое значение отклонения, но при увеличении давления в камере эмиссионные характеристики ухудшились.

Заключение

Исследование показало, что образец из материала МПГ-7 наиболее устойчив к ионной бомбардировке. При долговременных характеристиках данный материал продемонстрировал стабильную работу. Напряженность старта автоэмиссии при разных давления существенно не изменялась.

Литература

1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника». – 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1990. – С. 79 – 136.
2. Бобков А.Ф. Некоторые аспекты использования углеродных материалов в автоэлектронных эмиссионных катодах // Журн. техн. физики. – 2001. – Т. 71, №6. – С. 95-103.
3. Chepusov, A.S. Surface modification of field emission cathodes made of artificial

carbon-based material // Phys. Status Solidi C. 2013. Vol. 10, № 4. P. 614–618.

4. Бессонова В.А., Кузнецов В.Л., Скоморохов Д.С., Чепусов А.С. Автоматизация эксперимента с помощью устройства ввода-вывода RL-88AC // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». – 2013. – Т.13, №1. – С. 48-54.

References

1. Rozanov L.N. Vakuumnaja tehnika: ucheb. dlja vuzov po spec. «Vakuumnaja tehnika». – 2-e izd. – M.: Vyssh. shk., 1990. –
2. 79 – 136.
3. Bobkov A.F. Nekotorye aspekty ispol'zovanija uglerodnyh materialov v avtojelektronnyh jemissionnyh katodah // Zhurn. tehn. fiziki. – 2001. – T. 71, №6. –   S. 95-103.
4. Chepusov, A.S. Surface modification of field emission cathodes made of artificial

carbon-based material // Phys. Status Solidi C. 2013. Vol. 10, № 4. P. 614–618.

4. Bessonova V.A., Kuznecov V.L., Skomorohov D.S., Chepusov A.S. Avtomatizacija jeksperimenta s pomoshh'ju ustrojstva vvoda-vyvoda RL-88AC // Vestnik Juzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Serija «Komp'juternye tehnologii, upravlenie, radiojelektronika». – 2013. – T. 13, №1. – S. 48-54.